Projektbericht - Hems

-Technologie-
Projektbericht:
Wiederherstellung der Fahrelektronik
und Bestandsaufnahme
am Elektroauto
MiniEl/ CityEL Baujahr 1987
Philipp von Wintzingerode und Dominic Eckstein
Heinrich-Emanuel-Merck-Schule
BG 13-4/ Q3
Ergänzender Grundkurs Technologie 3
Abgabetermin: 14.01.2013
Inhaltsverzeichnis
1. Das Elektroauto
1.1 Das MiniEl der HEMS
2. Problemstellung
3. Theoretische Grundlagen
3.1 Motorsteuerung
3.1.1 Elektromotor
3.2 Akkuladeregler
3.3 Heizung
3.4 Anzeige
3.5 Verstärker
3.5.1. Der Verstärker in der Elektrotechnik
3.5.2 Verstärken im Niederfrequenz - (NF) Bereich
3.5.3. Schaltungsaufbau
3.5.4. Abweichungen des Schaltplans
3.5.5. Schaltungsbeschreibung
3.5.6. Zusammensetzen des Bausatzes
4. Aktueller Stand
4.1 Stoßdämpfer
4.1.1 Zustand vor dem Umbau
4.1.2 Umbau
4.1.3 Fazit
4.2 Gasdruckfedern
4.2.1 Zustand vor dem Umbau
4.2.2 Umbau
4.2.3 Fazit
4.3 Verstärker/ Boxen
4.3.1 Einbau
4.3.2 Fazit
4.4 Rissverklebung
4.4.1 Zustand vor dem Umbau
4.4.2 Umbau
4.4.3 Fazit
4.5 Hall-Sensor
4.6 Relaisplatinenanalyse
5. Fazit und mögliche Zukunft des MiniEl
5.1 Mögliche Theoretische Umsetzung der neuen Elektronik
5.1.1 Temperatursteuerung und Bedienung der Heizung
5.1.2Bargraph Akku
6. Literaturverzeichnis
7. Anhang
1. Das Elektroauto
Das Elektroauto ist nach amtlicher Definition ein Kraftfahrzeug mit mindestens 4 Rädern, an­
getrieben von einem Elektromotor, der aus einem Akkumulator gespeist wird. Leichtelektromobile
hingegen dürfen bis zu 350kg ohne Batterien wiegen und maximal 45km/h fahren. Dreirädrige
Fahrzeuge, wie etwa unser MiniEL werden als (Klein-)Krafträder bezeichnet. Um mit einem sol­
chen Fahrzeug fahren zu dürfen, muss man im Besitz der Führerscheinklasse M und 16 Jahre alt
sein.1
1.1 Das MiniEL der HEMS
Maße:
Länge:
Breite:
Höhe(ungeöffnet):
Wendekreis:
Leergewicht:
2731mm
1060 mm
1260 mm
8550 mm
290 kg
1 Vgl. Hierzu „Elektroauto“; www.wikipedia.de, „Elektroauto“, aufgerufen am 5.1.2013
Zulässiges Gesamtgewicht: 400 kg
Technische Daten:
Akkus:
Betriebsspannung:
Motorleistung:
Antriebsart:
Bremsenart:
Distanz:
Max. Geschwindigkeit:
3
36 V
700 W
Riemenantrieb
Trommelbremsen
70 km
25 km/h
2.Problemstellung
Die Aufgabe, das Elektromobil wieder fahrtüchtig zu bekommen, um später einmal legal auf den
Straßen fahren zu können, wurde an uns gestellt. Es sind uns von Anfang an viele Punkte an dem
MiniEL aufgefallen, die verbessert werden konnten und können. Wichtig sind natürlich dabei die
Grundfunktionen, wie etwa das Licht, Blinkanlage, Außenspiegel, Hupe, Scheibenwischer (spritzanlage) und die Anzeigetafel. Nicht sichtbares wie die Stoßdämpfer und die Gasdruckfedern
der Haube wurden auch notiert.
Nach einem Gespräch mit Herr Alfons Schmitt am 31.05.12 gab es auch schon die ersten Anregun­
gen, was man noch mit dem Auto anstellen könnte. Nennenswertes und Umsetzbares wären:
-neue Scheinwerfer aus Hochleistungs-LEDs oder Xenon verbindbar mit Kurvenfahrlicht
(Schrittmotor mit aufgebauter Lampe/Spiegelfläche)
- einem Feuchtesensor für den Scheibenwischer
- einem Helligkeitssensor für das Abblendlicht
- eine Glasfrontscheibe wegen der Kratzfestigkeit
Die Idee, die Elektronik des MiniELs über einen Microcontroller der Firma Atmel zu steuern,
wurde von ihm unterstützt, sofern die Programmierkünste dafür vorlägen, wurde jedoch schnell ver­
worfen, als Herr Becker, ein Lehrer der Heinrich-Emanuel-Merck-Schule, uns auf die generellen
Probleme mit PICs (Programmable Integrated Circuit – Mikrocontroller) bezüglich ihrer Span­
nungsverträglichkeit aufmerksam machte.
3. Theoretische Grundlagen
3.1 Motorsteuerung
3.1.1. Der Elektromotor
Der Gleichstromelektromotor der Firma Pacific Scientific mit einer Leistung von einem PS wird
von einem MOSFET-Steller der Firma Curtis angesteuert. Die abgegebene Leistung wird mit Hilfe
von Pulsweitenmodulation (15kHz) bestimmt, welche man über ein Potentiometer (5kOhm), an­
geschlossen am „Courtis“, einstellen kann.
Pulsweitenmodulation beschreibt, dass der (Im-)Puls, also der Zustand in dem Energie zur Verfü­
gung gestellt wird, variiert. Die Länge dieses Impulses nennt man Pulsweite, welche bei unserem
Modell 1/15kHz ≈ 67ms beträgt. Der Tastgrad beschreibt, welches Verhältnis zwischen An und Aus
innerhalb der 67ms vorliegt und kann somit Werte zwischen 1 (dauerhaft an) und 0 (dauerhaft aus)
wechseln.
3.2. Akkuladeregler
Das Ladegerät ist für Blei-Säure-Akkus entwickelt und hat einen Kurzschluss-, Überlade-,
Verpolungsschutz. Seine Ausgangswerte liegen bei max. 36V und max. 18A. Man sollte das
Ladegerät laut Anleitung im Monat mindestens zwei Stunden laufen lassen. Es ist von Werk aus für
unsere Akkus eingestellt worden.
3.3. Heizung
Im CityEL ist über dem Vorderrad im Innenraum eine Heizung eingebaut. Diese besteht aus zwei
unterschiedlichen Wicklungen, die bei 36V eine Verlust-/Wärmeleistung von 400W und 800W
haben. Es gibt somit 3 mögliche Heizstufen. Die Heizung ist unserer Meinung nach überflüssig, da
man nach 10 Minuten in dem Auto ohne Belüftung anfängt zu schwitzen, erstrecht, wenn die Leis­
tung die des Motors überschreitet: 735W.
3.4 Anzeige
Die alte Anzeige des eMobils ist, wie die restliche alte Elektronik, defekt und muss ersetzt werden.
Sowohl der Akkustand, als auch die Geschwindigkeit des eMobils werden in der Zukunft auf einer
Skala/ einem Bargraphen angezeigt. Die Erfassung des Akkustands erfolgt über einen Vergleich­
swert, eingestellt über die Spannungsreferenzquelle TL431, abgefragt und ausgegeben durch den
Displaytreiber LM3914. Schaltplan und Layout für die Akkuanzeige ist erstellt worden und
vorhanden.
3.5 Verstärker
3.5.1. Der Verstärker in der Elektrotechnik
Als Verstärker wird eine Baugruppe oder ein einzelnes Gerät definiert, welche/s eingehende Signale
so verarbeitet, dass deren Ausgangssignale größer sind als die Eingangsgrößen. Bei diesen Signalen
handelt es sich meist um Strom (I), Spannung (U) oder Leistung (P). Diese Verstärker existieren
sowohl im Gleichspannungsbereich (DC) als auch in der Wechselspannung (AC).2
3.5.2 Verstärken im Niederfrequenz - (NF) Bereich
Beim Verstärken im Niederfrequenzbereich wird eine von einem NF - Input (Handy, MP3 Player...)
gelieferte Spannung, welche sich im Millivoltbereich (mV) befindet, auf einige Volt angehoben.
Hierfür wird die benötigte Energie von einer Batterie geliefert. Um jetzt einen Lautsprecher zu
betreiben, wird ein Großsignalverstärker benötigt, der in der Lage ist, einen ausreichend großen
Strom zu liefern, sowie die Tonfrequenzspannung auf den benötigten Bereich zu verstärken.3
3.5.3. Schaltungsaufbau
2 Siehe auch Verstärker (Elektrotechnik); www.wikipedia.de „Verstärker (Elektrotechnik)“, aufgerufen am 27.10.2012
3 Vergleich Verstärker (Elektrotechnik); www.wikipedia.de „Verstärker (Elektrotechnik)“, aufgerufen am 27.10.2012
Abbildung 1: Schaltplan TDA 8560 Q4
3.5.4. Abweichungen des Schaltplans
Der Schaltplan zeigt eine Versorgungsspannung von 14,4 V. Das System des MiniEL läuft jedoch
über ein 12 V-Netz. Anhand des beigefügten Datenblattes („TDA 8560 Q“) lässt sich ermitteln, das
die Versorgungsspannung für den Bereich von 6 – 18 V ausgelegt ist, und dies somit kein Problem
darstellt.
3.5.5. Schaltungsbeschreibung
Aufgrund einer direkten Abhängigkeit der Ausgangsleistung gegenüber der Versorgungsspannung
lässt sie sich nicht beliebig verändern, da die Leistungssteigerung quadratisch erfolgt. Eine 1,4
fache Erhöhung der Spannung hat dem nach den 2-fachen Wert der Leistung zufolge. Durch eine
Verringerung des Lastwiderstandes RLS wird eine Leistungserhöhung ebenfalls möglich, jedoch
nehmen hier auch die Ströme zu.
Das in der Schaltung verwendete IC TDA 8560 Q ermöglicht eine Lösung der oben beschriebenen
Problemstellung. Durch interne Spannungsverdoppler lässt sich ein benötigter Spannungsschub
leicht erzielen. Hierbei wird die Versorgungsspannung verdoppelt und die Ausgangsleistung auf
etwa 40 W bei 10% Klirrfaktor erhöht. Der Lastwiderstand kann weiterhin 8 Ω betragen, so das die
Verwendung normaler Lautsprecher weiterhin gegeben ist.
Ein Nachteil dieser verwendeten Schalttechnik ergibt sich bei einer Sinus-Ansteuerung. Im
Normalfall wird der IC mit Musiksignalen angesteuert, so dass hohe Ausgangsleistungen nur zu
einem geringen Prozentsatz auftreten. Die Sinus-Ansteuerung sorgt durch eine gleichmäßige
Amplitudenverteilung jedoch für eine Schnelle Überhitzung des IC. Eine interne ÜbertemperaturSchutzschaltung soll hier eine Zerstörung des Bauteils verhindern.
Auch im Falle eines Kurzschlusses sorgt die interne Schalttechnik für eine Verhinderung von
Schäden am Bauteil. Durch Abschaltung der Leistungsverstärker wird eine Überlastung verhindert.
4 TDA 8560 Q; www.conrad.de „TDA 8560 Q“, aufgerufen am 27.10.2012
3.5.6. Zusammensetzen des Bausatzes
Abbildung 2: Bestückungsplan des Bausatzes5
Zunächst sollten die Widerstände eingelötet werden. Beim Einlöten der Kondensatoren muss zum
einen die Polung beachtet werden. Zum anderen treten unter Umständen extreme Temperaturen auf,
was zur Zerstörung von niederwertigen Kondensatoren führen kann. Die Kondensatoren sollten
über eine Temperaturgang verfügen, der keinen Ausfall zur Folge hat
Aufgrund der Übertemperatur-Schutzschaltung sollte ein Kühlkörper am IC angebracht werden, da
dieser sonst nicht in den aktiven Betrieb wechselt.
Der nun eingebaute NF-Signal-Verstärker von Conrad hat eine Ausgangsleistung von 2x40W und
einen Frequenzgang von 20Hz bis 20kHz. Seine Versorgungsspannung beträgt 6V bis 18V. Die
Ausgangsimpedanz sollte nicht kleiner als 2 Ohm sein. Mithilfe von Blechen haben wir sowohl die
gefundenen Lautsprecher, als auch die Platine an den Überrollbügel des eMobils geschraubt (siehe
Kapitel 4.3). Der verwendete IC auf der Platine ist der TDA 8560 Q und wird mit einem zurecht­
gesägten Kühlkörper einer CPU passiv gekühlt.
Ein Niederfrequenz-Signal-Verstärker wird im hörbaren Bereich dafür eingesetzt, um die geringe
Spannung und somit Leistung des Ausgangssignals eines Mediums (Discman/mp3-Player/etc) auf
eine höhere zu bringen. Da eine höhere Spannung bei gleichbleibender Last auch einen höheren
Strom fordert, passiert das quadratisch: Eine Spannungsverstärkung um den Faktor 2 ergibt die vier­
fache Ausgangsleistung.
Die Geschwindigkeitsanzeige funktionierte über einen inzwischen defekten Hallsensor an der Hin­
terachse, der an einem Frequenz/Spannungswandler angeschlossen war. Mithilfe diese Spannung
konnte dann auf einem Display die Geschwindigkeit angezeigt werden.
Die Schaltung für den Blinker könnte in Zukunft mit Hilfe vom U6043B, einem Blinker IC, und
einer externen Beschaltung funktionieren. Auch hierfür sind der Schaltplan und das Layout erstellt
und vorhanden.
4. Aktueller Stand
Aufgrund eines technisches Defektes wurde die Hauptplatine des MiniEl irreparabel beschädigt und
5 Datenblätter; www.produktinfo.conrad.com, „Stereo Endstufe Bausatz“ aufgerufen am 28.10.2012
musste entfernt werden. Eine Ansteuerung der Beleuchtung sowie der Grundfunktionen wie Schei­
benwischer und Hupe ist intern nicht mehr möglich. Durch Anschluss einer externen Spannungs­
quelle ließ sich jedoch die Funktionalität aller nach dem Kurzschluss der Platine betroffenen Ele­
mente bestätigen. Da es sich bei dem besagten Modell um ein CityEl des Baujahres 1987 handelt,
welches zu dieser Zeit noch unter dänischer Produktion stand, war es nicht möglich eine
Ersatzplatine zu erwerben. Allerdings existieren hier Schaltpläne, welche sich aufgrund der
mangelhaften Dokumentation sowie der Monolingualität jedoch nur schwer interpretieren lassen.
Ein weiteres Problem stellen die zur Zeit der Produktion noch nicht vorhanden gewesenen Normen
einzelner elektrischer Elemente und ihrer Darstellung in den oben genannten Schaltplänen dar.
Auch die Mechanik des CityEl weist aufgrund von Vernachlässigung in mehreren Bereichen
eingeschränkte Funktionalität auf.
4.1 Stoßdämpfer
Der Stoßdämpfer soll zum schnellen Abklingen von Schwingungen bei gefederten Massen dienen.
Dies geschieht über Umwandlung der Schwingungsenergie in Wärme.6
4.1.1 Zustand vor dem Umbau
Abbildung 1: Alter Stoßdämpfer (links), neuer Stoßdämpfer (rechts)
Aufgrund von Korrosion und der somit verbundenen eingeschränkten Funktion des Dämpfers kam
es schon bei geringen Geschwindigkeiten zur Kollision des Motorkastens und der Batterie. Dies
hätte auf einen längeren Zeitraum zur Zerstörung der beteiligten Teile führen können. Auch der
Fahrer hätte bei kontinuierlicher Benutzung Langzeitschäden im Bereich der Wirbelsäule davon
tragen können.
4.1.2 Umbau
Schritt 1: Zunächst muss das Rad mit Hilfe eines Sechskants und einer Hebebühne entfernt werden.
Jetzt kann der Stoßdämpfer nach Lößen der Schrauben ebenfalls entnommen werden.
6 Vgl. Stoßdämpfer; www.wikipedia.de „Stoßdämpfer“, aufgerufen am 5.01.2013
Abbildung 2: Radkasten nach Entfernen des Rades und des Stoßdämpfers
Abbildung 3: Position des Stoßdämpfers (rot)
Schritt 2: Einsetzen des neuen Stoßdämpfers
Nun wird der neue Stoßdämpfer an den für ihn vorgesehenen Stellen (siehe Abbildung 3) ange­
bracht und mit den bereits vorhandenen Schrauben fixiert.
Abbildung 4: Fixierung des neuen Stoßdämpfers
Schritt 3: Anbringen des Rads
Im dritten Schritt wird das Rad wieder aufgesetzt und festgeschraubt und das Fahrzeug wird von der
Hebebühne gelassen.
Hinweis: Schritt 1-3 sind für beide Seiten des Fahrzeuges gleich.
4.1.3 Fazit
Mit Hilfe des sehr kundenfreundlichen Emobil-Shops www.emobilshop.de waren bei kurzer Bera­
tung neue Stoßdämpfer schnell gefunden. Nach Einbau dieser erfolgt selbst bei höheren Geschwin­
digkeiten keine Kollision des Motors und der Batterie mehr. Auch das Fahrkomfort hat sich nach
dem Umbau erheblich verbessert.
4.2. Gasdruckfedern
Eine Gasdruckfeder wird auch pneumatische Feder genannt, da sie unter hohem Druck stehendes
Gas als Federkraft bereitstellt. Sie dienen zur Gewichtsausgleichung und werden vor allem in der
KFZ-Technik verwendet, finden aber auch Gebrauch in Bürostühlen und Türen. 7
4.2.1. Zustand vor dem Umbau
Eine selbstständige Öffnung der Haube mit Hilfe der Federkraft war nicht mehr möglich, da das
Gas zum größten Teil entwichen war. Auch nach Anheben der Haube hat hier die Federkraft nicht
mehr ausgereicht.
4.2.2. Umbau
Zunächst muss die Haube in komplett geöffneter Position mit Hilfe einer Stange am hinteren Ende
fixiert werden, um einen Wechsel zu ermöglichen.
Hinweis: An diesem Umbau sollten mindestens zwei Leute zusammen arbeiten, da durch das Ge­
wicht der Haube eine hohe Verletzungsgefahr gegeben ist.
Schritt 1: Entnahme der Federn
Nach dem die Haube fixiert ist, können jetzt beide Federn entnommen werden. Hier ist darauf zu
achten, das die Federn vollständig entlastet sind, da diese sich sonst nicht lösen lassen. Die
Gasdruckfedern sind mit jeweils zwei Schrauben befestigt.
7 Siehe auch Gasdruckfeder; www.wikipedia.de „Gasdruckfeder“, aufgerufen am 5.01.2013
Abbildung 5: obere Schraube der Feder (rot)
Abbildung 6: untere Schraube der Feder (rot)
Schritt 2: Einsetzen der neuen Gasdruckfedern
Auch hier muss immer noch eine vollständige Entlastung gegeben sein, da mit sich die neue Feder
in der richtigen Position festschrauben lässt.
Aufgrund des frühen Baujahres ist es nicht mehr möglich die bereits verwendeten Gasdruckfedern
im Handel zu erwerben. Hier wurden die alten Federn (600N) mit einer weit höheren Kraft (900N)
ersetzt. Da sich diese Federn sowohl in der Kraft als auch in der Länge unterscheiden, mussten hier
für neue Bohrungen getätigt werden.
Abbildung 7: alte Bohrung (rot), neue Bohrung (grün)
Abbildung 7 zeigt die hierfür vorgenommenen Bohrung. Diese ist identisch zur Bohrung der ande­
ren Seite. Mit einem roten Farbstift wurde zusätzlich der Rotationskreis mit der Länge der neuen
Feder als Radius markiert. Den Mittelpunkt bildete das bereits vorhandene zweite Loch unterhalb
der Fahrerkonsole (Abbildung 6).
Abbildung 8: Fixierung der neuen Feder in der vorgesehenen Bohrung
4.2.3. Fazit
Aufgrund des Längenunterschiedes der Federn lässt sich die Haube jetzt nicht mehr ganz soweit
öffnen, der automatische Mechanismus sorgt jedoch für die Entlastung des Fahrers und erleichtert
Umbauarbeiten im Inneren des Fahrzeuges. Da der Hersteller der Gasdruckfedern diese immer noch
produziert war es auch hier kein Problem ein nahezu identisches Modell zu erwerben. Auch die
erhöhte Federkraft sorgt für mehr Komfort beim Aus - und Einsteigen.
4.3 Verstärker und Boxen
4.3.1 Einbau
Für die Definition sowie die technischen Details des Verstärkers siehe 3.6. Da das CityEl über keine
vorinstallierte Befestigung der Boxen sowie des Verstärkers verfügt, musste diese zunächst
angebracht werden. Hierfür hat sich der Rahmen des Fahrersitzes angeboten, da dieser über einen
stabilen Metallrahmen verfügt und darüber hinaus genügend Platz bietet.
Zunächst musste eine Halterung für die Boxen entworfen werden. Das Materiallager der Schule
verfügte hier über Aluminiumplatten, welche sich mit Hilfe einer Presse zuschneiden und in Form
bringen ließen.
Abbildung 8: Aluminiumplatten vor der Bearbeitung
Abbildung 8 zeigt das Rohmaterial für die Halterung der Boxen. Diese wurden zunächst auf einen
Winkel von 90° zurecht gebogen.
Abbildung 9: Aluminiumplatte nach der Bearbeitung mit der Biegemaschine
Dieser Vorgang wurde mit insgesamt vier Aluminiumplatten wiederholt. Da die Boxen bereits über
ein Gewinde verfügen, mussten in den Platten nur noch die Position der Löcher bestimmt und mit
Hilfe eines Metallbohrers gebohrt werden.
Abbildung 10: Aluminiumplatte mit Bohrungen
Abbildung 10 zeigt Bohrungen 1-3. bei Bohrung 1 und 2 handelt es sich um die Fixierung am
Metallrahmen des Fahrersitzes. Diese befinden sich diagonal zueinander, um eine möglichst stabile
Lage zu garantieren. Bohrung 3 führt die Schraube des Lautsprechers. Zusätzlich wurde aufgrund
der Verletzungsgefahr überstehendes Aluminium mit Hilfe einer Presse entfernt.
Im nächsten Schritt wurde mit Hilfe eines Körners sowie der Bohrungen 1-2 die benötigten Stellen
für die Bohrungen am Rahmen selbst bestimmt.
Abbildung 11: Bohrungsmarkierungen am Fahrerrahmen
Abbildung 12: Bohrungen am Fahrerrahmen
Auch diese Löcher wurden ausgebohrt (Abbildung 12). Mit Hilfe von Kontermuttern wurden die
Aluminiumhalterungen dann an der hinteren Seite des Rahmens befestigt.
Abbildung 13: Aluminiumhalterung mit aufgeschraubten Verstärker und Lautsprecher
Abbildung 14: Rückseite der Aluminiumhalterung
Abbildung 13 zeigt erneut die bereits in Abbildung 10 entstandenen Bohrungen 1-3, in denen jetzt
die Vorgesehene Bauteile fixiert worden sind. Durch zusätzliche Bohrungen 4-7 ließ sich der
Verstärker ebenfalls auf der Aluminiumhalterung befestigen.
In Abbildung 14 lässt sich auf der Rückseite der Aluminiumhalterung eine zusätzliche Beschaltung
erkennen (rot). Diese führt eine Kontroll-LED zur Überprüfung der Spannungsversorgung, sowie
einen Schalter für den Ein – und Ausschaltvorgang. Der Klinkenstecker stellt den Eingang zu einem
Verstärker da, welcher ein Signal von einem Musikmedium (MP3 Player, Smartphote, o.ä.)
bekommt.
Der Vorgang ist für die linke sowohl wie für die rechte Seite des Rahmens identisch.
4.3.2. Fazit
Das Fahrzeug verfügt nun über ein Audio-System mit zwei 40W Lautsprechern. Nun muss der
Fahrer nicht mehr länger auf seine Lieblingstitel während der Fahrt verzichten. Aufgrund des relativ
hohen Stroms (>3A) ist jedoch auf den Ladestand der Akkus zu achten. Auch die Verstärkerleistung
ist sehr, hoch, diese könnte noch über einen logarithmisches Potentiometer geregelt werden.
4.4.1. Zustand vor dem Umbau
Die Haube des CityEl wies sehr starke Beschädigung des Plexiglases im Bereich des Daches auf.
Eine Befestigung war nicht mehr möglich, da durch die Risse die benötigte Stabilität nicht mehr
gegeben war und ist. Auch hier herrschte, aufgrund von plötzlichem herauslösen des Daches aus
dem Rahmen, erhöhte Verletzungsgefahr.
4.4.2. Umbau
Mit Hilfe von Acrylglaskleber AGOVIT 1900 wurden die betroffenen Stellen zunächst temperiert,
und dann mit der Kleberlösung aufgefüllt.
4.4.3. Fazit
Aufgrund der ungünstigen Position der Risse, herrschte dort eine sehr hohe Spannung, welche zum
direkten Neuaufriss der bearbeiteten Stellen nach Einsetzen des Daches führte. Auch nach erneutem
Kleben der Bruchstellen, rissen diese sofort wieder auf.
4.5 Hall-Sensor
Selbst nach mehreren Messungen mit Hilfe des Oszilloskopes ließ sich auf den Oszillographen
keine Ausgangsspannungen an den für den Hall-Sensor vorgesehenen Ausgängen feststellen. Da
sich der Hall-Sensor innerhalb des Motorkastens befindet, wird hier eine Hebebühne benötigt um
weitere Kontrollen durchzuführen. Dieser Vorgang erweist sich jedoch als sehr arbeitsaufwendig, da
bei alten Modellen die Hinterachse entfernt werden muss, um an den Motor zu gelangen.
4.6 Relaisplatinenanalyse
Die Relaisplatine führt in ihrer Schaltung alle zu steuernden Befehle wie die Beleuchtung einzelner
Elemente zusammen. Sie ist nach dem Kurzschluss die einzige erhaltene Platine und befindet sich
direkt unter der „Fahrtregelung“.
Vorderbeleuchtung A
Steuerung B
Rückbeleuchtung C
PA1: Mittellicht
PA2: Fernlicht
PA3: Tagfahrlicht
PA4: Blinker rechts
PA5: Blinker links
PA6: Masse
PA7:
PB12: Masse
PC1: Linkes Standlicht/ Nummernschild
PC2: Rechtes Standlicht
PC3: Rechter Blinker
PC4: Linker Blinker
PC5: Bremslicht
PC6: Masse
R: Steuerrelais
S: Spannungsstabilisierung I: Baujahr und Platinennummer
Die Beschreibungen der Pins basieren auf Messungen mit Hilfe einer externen Spannungsquelle.
5. Fazit und mögliche Zukunft des MiniEl
Zunächst einmal lässt sich sagen, das aufgrund der veralteten Technik sowie der dänischen Sprache
ein Überblick über die Elektronik des CityEl nicht möglich ist. Fehlende Normen einzelner
elektronischer Elemente so wie die Monolingualität der erhaltenen Dokumente erschweren die
Arbeit mit dem Fahrzeug zusätzlich. Auch im Internet ist es kaum möglich Informationen zu
erhalten, da das Baujahr des CityEl zu alt ist, die dänische Herstellerfirma zeigt sich ebenfalls nicht
kooperativ. Hinzu kommt die erschwerte Arbeitsumgebung nach dem die Werkstatt der TU
Darmstadt nicht mehr länger zugänglich ist. Als Zukunft des CityEl sehen wir hier nur die
Möglichkeit der kompletten Neugestaltung der Elektronik, was den Zeitrahmen eines Projektes
jedoch überschreiten würde. Als Vorschlag wäre hier die besondere Lernleistung zu erwähnen. Des
Weiteren erfordert die Bearbeitung dieses Projektes ein erhebliches Wissen an praktischer sowie
theoretischer Erfahrung im Umgang mit Kraftfahrzeugen. Trotz der vielen negative Aspekte bietet
das Projekt eine gute Möglichkeit um sich elekrische so wie mechanische Grundlagen anzueignen
und komplexere Vorgänge in der Elektrotechnik verstehen zu können. Da sich Herr Schmidt,
welcher sich bereits vor einem Jahr als „Hobbybastler“ bereit erklärte hatte, mit den Schülern der
HEMS zu kooperieren, nun erneut angeboten hat, wäre hier bereits viel praktische Erfahrung
vorhanden, und auch die Homepage der CityEl- „Hobbybastler“ http://elweb.info bietet hier ein
großes Spektrum an bereits vorhandenem Wissen im Bereich des CityEl.
Der Arbeitsaufwand der durchgeführten Arbeiten betrug ca. 100 Stunden.
5.1. Theoretische Vorüberlegung zur Umsetzung der neuen Elektronik
5.1.1. Temperatursteuerung und Bedienung der Heizung
5.1.1.1. Temperatursteuerung
Die Temperatursteuerung des MiniEL erfolgt über eine Relaisschaltung und ermöglicht drei
Zustände: Stufe 1, Stufe 2 und aus.
Abbildung 1: Temperatursteuerung mit Relais
5.1.1.2. Schaltungsbeschreibung
Die Schaltung besteht aus 3 Relais-Elementen K1, K2 und K3 denn steuernden Elementen, sowie aus
den zwei zu steuernden Elementen Heizspirale R1 und Heizspirale R2.
Stufe 1: Betätigt man nun den Taster T 1 wird das Relais K1 angesteuert, welches einen Selbsterhalt
über sich selbst schaltet. Gleichzeitig wird der Stromkreis an Heizspirale R 1 geschlossen und
ermöglicht so eine Erhöhung der Innentemperatur auf Stufe 1 (400W)
Stufe2: Durch Betätigen des Tasters T2 wird das Relais K2 aktiviert und schließt somit gleichzeitig
den Stromkreis über der Heizspirale R2. Nun ist Stufe 2 der Heizung aktiviert. Aufgrund einer
erhöhten Leistung von P1 + P2 = 1200W wird eine Abfallverzögerung (siehe „3. Abfallverzögerung“)
an Relais K2 benötigt um einen frühzeitigen Ausfall des Motors zu verhindern.
Stufe 3: Nach Betätigung des Tasters T3 aktiviert sich das Relais K3 und öffnet somit den Schließer
an K3. Der Selbsterhaltungsmechanismus wird hier bei deaktiviert. Die Heizung befindet sich im
Ausgangszustand.
5.1.1.3. Abfallverzögerung
Aufgrund der erhöhten Leistung nach Aktivierung der Stufe 2 wird eine Abfallverzögerung
empfohlen, welche sich nach einer Zeit von t = 300s selbst abschaltet.
Abbildung 2: Abfallverzögerungs-Schaltung mit Relais
Werte der Schaltung:
U = 12V
R1 = 2MΩ
R2 = 100Ω
C1 = 30μF
5.1.1.3.1 Schaltungsbeschreibung
Nach Betätigen des Tasters T2 lädt sich der Kondensator C1 auf UC = 12V. T2 öffnet sich wieder und
der Kondensator entlädt sich über R1. Laut Kirchhoffscher Regel ergeben alle Spannungen einer
Masche in der Summe U1 + U2 +...Un = 0. Umgeformt heißt das für die Schaltung das die Spannung
UR1 = UC1 = UK2 + Ugs.
Somit ergibt sich für UK2:
UK2=UR1−UGS =12V−0,7V =11,3 V
Das Relais zieht an und schließt den Stromkreis über R L. Mit der Zeit entlädt sich der Kondensator
und verliert dabei Spannung. Bei Unterschreitung eines gewissen Potenzials verliert das Relais
seine Wirkung und öffnet den Stromkreis über RL erneut. Diese Zeit nennt sich Abfallverzögerung.
5.1.1.3.2 Berechnung der Abfallverzögerung
Je nach der Zeit t in der das Relais aktiv sein soll, sind die Bauteile richtig zu dimensionieren. Für
eine Zeit t = 5min ergeben sich die unter 3.(„Abfallverzögerung“) gegeben Werte. Nun ist die
Entladekonstante τ des Kondensators zu ermitteln:
τ= R1⋅C1=2M Ω⋅30μ F=60s
Nach t = 5τ = 300s beträgt der Spannungswert an Kondensator C1 nur noch ca. 0,1% der
Ausgangsspannung. Diese Spannung reicht nicht mehr aus um das Relais weiterhin ausreichend zu
versorgen.
5.1.2. Bargraph Akku
5.1.2.1. Messbereichsverkleinerung
Zunächst wird die Differenzspannung der im Auto anliegenden Batterien ermittelt. Das ΔU ergibt
sich hier aus der Differenz der aufgeladenen Batterie U2 und der entladenen Batterie U1:
ΔU =3∗(U2−U1)=3∗(13,8 V −12V)=5,4V
Hieraus ergibt sich U2 = 41,4V = U1 + ΔU und U1 = 36V.
Im nächsten Schritt sollen die Messspannungen (Referenzspannung U ref) mit Hilfe eines
Spannungsteilers ermittelt werden:
Abbildung 1: Spannungsteiler mit Voltmeter
Die Widerstände R1 und R2 lassen sich beliebig wählen. Im Folgenden Beispiel werden sie mit
R1 = 47kΩ und R2 = 10kΩ bestimmt. Als nächstes werden mit Hilfe der oben errechneten
Spannungen und der Widerstände die maximale Messspannung URefHigh sowie die minimale
Messspannung URefLow berechnet:
URefHigh=Umax∗R2 /( R1+R2)=41,4V ∗10k Ω/(47k Ω+10k Ω)=7,26V
URefLow=Umin∗R2/( R1+ R2)=36V∗10k Ω/(47k Ω+10k Ω)=6,32 V
5.1.2.2. TL 431
TL 431 ist eine einstellbare Referenzspannungsquelle im Bereich von Uref = 2,5 – 36V.
5.1.2.2.1 Schaltbild
Abbildung 2: Schaltbild TL 431
5.1.2.2.2 Berechnung
Mit Hilfe der in Schritt 1(„Messbereichsverkleinerung“)berechneten Größen lassen sich nun die
restlichen Elemente der Schaltung berechnen.
Zur Vereinfachung der Berechnung nehmen wir die kleinstmögliche Spannung UR2 = Uref = 2,5V an.
Der Strom Iref ist frei wählbar und kann in der verwendeten Schaltung sehr klein sein. Somit ergibt
sich für Iref = 0,2 mA. R2 kann sich nun mit Anwendung des Ohmschen Gesetzes bestimmen lassen:
R2=
URef
2,5 V
=
=12,5 k Ω
IRef 0,2 mA
Laut angefügtem Datenblatt ergibt sich die Formel:
U0=UZ =(1+
R1
)∗URef
R2
Nach Umstellung der Formel nach Widerstand R1 und Einsetzen von UZ = UrefLow
(siehe 1. Messbereichsverkleinerung) lässt sich dieser ermitteln:
R1=
R2⋅UZ
12,5 k Ω⋅6,32 V
− R2=
−12,5 k Ω=19,1 k Ω
URef
2,5 V
Nun lässt sich auch RV ermitteln. Dieser ergibt sich aus dem Verhältnis der Abfallenden Spannung
URv und dem Betriebsstrom Iges. Durch Anwenden des 1. und 2. Kirchhoffschen Gesetzes ergibt sich
für URv:
Δ U =URv=UBetrieb−URefLow=12V−6,32 V =5,68 V
und für Iges:
IBetrieb=IRef + IZ =0,2 mA+2mA=2,2 mA
Nach Einsetzen der oben bestimmten Werte ergibt sich für RV:
RV =
URv 5,68 V
=
=2581,59 Ω
Iges 2,2 mA
Nach Betrachten der Widerstandswerte fällt auf, das diese mit diesen Werten nicht im Handel
erhältlich sind. Somit muss eine Umrechnung anhand der E-Reihe erfolgen, welche ergibt:
R2 = Rref = 12,5kΩ
→ 12kΩ
R1 = 19,1kΩ
→ 22kΩ
RV = 2581Ω
→ 2,2kΩ
Es erfolgt eine zweite Berechnung mit UZ = 7,26V und 2.2 wird wiederholt. Für die Widerstände
ergibt sich:
R2
→ 12kΩ
R1
→ 18kΩ
RV
→ 2,7kΩ
6. Literaturverzeichnis
Internet:
- CityEL; www.wikipedia.de, „CityEL“, aufgerufen am 5.1.2013
- CityEL Technik; www.elweb.info, „CityEL Technik“, aufgerufen am 5.1.2013
- Datenblätter; www.produktinfo.conrad.com, „Stereo Endstufe Bausatz“, aufgerufen am 4.12.2013
7. Anhang
Beigefügt die Schaltpläne des CityEl.